(57)【要約】  内燃機関の最大出力運転時に、オイルジェットから噴射されてピストンに設けられた冷却通路に供給されたオイルによるピストンの冷却効率の向上および冷却用オイル量の削減を図る。  本発明のピストン冷却装置は、周方向通路(５０)と入口通路(３０)および出口通路(４０)とを有する冷却通路(Ｃ)が設けられた内燃機関用ピストン(２０)と、入口通路(３０)に噴射口(９４)からオイルを噴射するオイルジェット(９０)とを備える。冷却通路(Ｃ)に気体とオイルとの気液２相プラグ流が、少なくとも内燃機関(Ｅ)の最大出力運転時に形成されるように、オイルジェット(９０)はピストン(２０)の各行程においてオイルを噴射し、かつ噴射口(９４)でのオイルの噴射速度は最大出力運転時のピストン(２０)の最高速度以下とされる。
2011105374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に延びている周方向通路と前記周方向通路にそれぞれ連通する入口通路および出口通路とを有する冷却通路が設けられた内燃機関用ピストンと、前記ピストンが上下方向に往復運動するとき下方に向かって開口する前記入口通路に対して下方に配置された噴射口からオイルを噴射するオイルジェットとを備え、前記噴射口から噴射されたオイルが、前記入口通路から流入して前記周方向通路を経て前記出口通路から流出するピストン冷却装置において、
前記冷却通路に気体とオイルとの気液２相プラグ流が、少なくとも内燃機関の最大出力運転時に形成されるように、前記オイルジェットは前記ピストンの各行程においてオイルを噴射し、かつ前記噴射口でのオイルの噴射速度は前記最大出力運転時の前記ピストンの最高速度以下とされることを特徴とするピストン冷却装置。
【請求項２】
前記周方向通路は、最上流部で前記入口通路に連なる導入通路と、最上流部で前記導入通路に連なる主通路とを有し、
前記導入通路は、上方に向かうにつれて周方向に湾曲して前記主通路に連なると共に、通路面積が下流に向かって連続的に増加するディフューザ通路であることを特徴とする請求の範囲第１項記載のピストン冷却装置。
【請求項３】
前記導入通路の通路中心線上での最上流部からの距離をＳ（ｍ）とし、前記通路中心線に直交する平面上での通路面積をＡ（ｍ２）としたとき、
次式
Ｒ＝ｄ（Ａ１／２）／ｄＳ
で定義される拡大率Ｒが０．０６≦Ｒ≦０．８であることを特徴とする請求の範囲第２項記載のピストン冷却装置。
【請求項４】
前記導入通路は、分岐部において周方向で互いに反対方向に向かって分岐する第１，第２分岐導入通路から構成され、
前記主通路は、前記第１，第２分岐導入通路にそれぞれ連なる第１，第２主通路から構成され、
前記分岐部は、上下方向で前記第１，前記第２主通路の最下部よりもピストン頂面寄りに位置することを特徴とする請求の範囲第１項から第３項のいずれか１項記載のピストン冷却装置。
【請求項５】
前記分岐部は、前記入口通路の通路中心線上に位置することを特徴とする請求の範囲第４項記載のピストン冷却装置。
【請求項６】
前記第１，第２分岐導入通路のそれぞれの最上流部の通路断面と、前記入口通路の最下流部の通路断面とが、同一で、かつ同じ位置にあることを特徴とする請求の範囲第４項記載のピストン冷却装置。
【請求項７】
前記オイルジェットには、オイルポンプから吐出されたオイルがオイル供給通路を経て導かれると共に前記噴射口を有するオイル通路が設けられ、
前記オイル通路には、前記オイル供給通路からオリフィスにより減圧されたオイルが導かれ、
前記噴射口の開口面積は、前記オリフィスの絞り通路面積よりも大きいことを特徴とする請求の範囲第１項から第３項、第５項、第６項のいずれか１項記載のピストン冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のピストンに設けられた冷却通路にオイルジェットから噴射されたオイルを供給し、冷却通路を流れるオイルによりピストンを冷却するピストン冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の高出力化に伴い、ピストンにおいては、燃焼ガスに接触するピストン頂面を有するピストンヘッドを冷却するために、ピストンの内部に設けられた環状の冷却通路に、オイルジェットから噴射された冷却用オイルを供給するピストン冷却装置が知られている。
例えば、特許文献１に開示されたピストン冷却装置では、オイルジェットから噴射されたオイルをピストンの冷却通路の周方向通路に案内する案内部が設けられて、冷却効率の向上が図られている。
また、内燃機関の高速回転時に、往復運動するピストンの速度がオイルジェットから噴射されるオイルの速度よりも大きくなると、ピストンの冷却通路にオイルが供給されない期間が生じる。そこで、冷却通路にオイルが供給されない期間の発生を防止するために、オイルジェットから噴射されるオイルのオイル噴射速度を変更するピストン冷却装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平５−６１４２３号公報
【特許文献２】特開２００７−２２４７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
オイルによるピストンの冷却効率を高めるために、ピストンの冷却通路での圧力損失の低減のみでは、冷却効率の向上や、オイルジェットから噴射されるオイル量の削減にも限界がある。
また、オイルジェットからのオイルの噴射速度を変更する場合には、噴射速度を変更する装置が必要になるため、ピストン冷却装置が大型化し、またコスト増を招来する。
さらに、内燃機関の運転領域においてピストンの温度が最も高くなる最大出力運転時には、ピストンの速度も大きくなるため、所要の冷却効果が得られるようにするには、オイルジェットから供給されるオイル量を増加させることが通常であるため、冷却用オイルのオイル量削減の点で改善の余地がある。【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ピストンの往復運動を利用することにより、少なくとも内燃機関の最大出力運転時に、オイルジェットから噴射されてピストンに設けられた冷却通路に供給されたオイルによるピストンの冷却効率の向上を図ると共に、少なくとも最大出力運転時を含む高速回転領域でのピストン冷却用オイル量の削減を図ることを目的とする。
さらに、本発明は、ピストンの冷却通路の形状を工夫することにより、オイルによるピストンの冷却効率の向上およびピストン冷却用オイル量の削減を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の請求の範囲第１項記載の発明は、周方向に延びている周方向通路（５０）と前記周方向通路（５０）にそれぞれ連通する入口通路（３０）および出口通路（４０）とを有する冷却通路（Ｃ）が設けられた内燃機関用ピストン（２０）と、前記ピストン（２０）が上下方向に往復運動するとき下方に向かって開口する前記入口通路（３０）に対して下方に配置された噴射口（９４）からオイルを噴射するオイルジェット（９０）とを備え、前記噴射口（９４）から噴射されたオイルが、前記入口通路（３０）から流入して前記周方向通路（５０）を経て前記出口通路（４０）から流出するピストン冷却装置において、前記冷却通路（Ｃ）に気体とオイルとの気液２相プラグ流が、少なくとも内燃機関（Ｅ）の最大出力運転時に形成されるように、前記オイルジェット（９０）は前記ピストン（２０）の各行程においてオイルを噴射し、かつ前記噴射口（９４）でのオイルの噴射速度は前記最大出力運転時の前記ピストン（２０）の最高速度以下とされるピストン冷却装置である。
これによれば、ピストンの冷却通路には、少なくとも最大出力運転時に、往復運動するピストンの各行程において最大出力運転時のピストンの最高速度以下の噴射速度でオイルジェットから噴射されて供給されたオイルにより、気体とオイルとの気液２相プラグ流が形成されるので、このプラグ流によりピストンから冷却通路のオイルへの熱伝達が促進されて、オイルによるピストンの冷却効率を向上できる。そして、冷却効率の向上により、ピストンの所要の冷却性を得ながら、オイルジェットからのオイルの噴射流量を削減できる。
また、前記気液２相プラグ流は、ピストンの上下運動によって生じる加速度のため前記周方向通路の壁面を上下に移動するために、冷却効率の一層の向上がなされる。【０００７】
本発明の請求の範囲第２項記載の発明は、請求の範囲第１項記載のピストン冷却装置において、前記周方向通路（５０）は、最上流部（６１ａ，６２ａ）で前記入口通路（３０）に連なる導入通路（６１，６２；１６１，１６２；２６１，２６２）と、最上流部（７１ａ，７２ａ）で前記導入通路（６１，６２；１６１，１６２；２６１，２６２）に連なる主通路（７１，７２）とを有し、前記導入通路（６１，６２；１６１，１６２；２６１，２６２）は、上方に向かうにつれて周方向に湾曲して前記主通路（７１，７２）に連なると共に、通路面積が下流に向かって連続的に増加するディフューザ通路であるものである。
これによれば、導入通路は、その通路面積が連続的に増加するディフューザ通路であることにより、ディフューザ通路になっていない導入通路に比べて導入通路に連なる入口通路の通路面積を小さくできるので、入口通路でのプラグ流の形成を容易化できる。
また、オイルジェットから噴射されて入口通路から流入したオイルを主通路に導く導入通路が上方に向かうにつれて周方向に湾曲して主通路に連なる湾曲通路であることで、入口通路を経たオイルが導入通路の通路壁に衝突した際に生じる逆流や澱みの発生が抑制され、導入通路でのオイルのエネルギを維持しながら該オイルを主通路に案内することができる。
また、導入通路は連続的に拡大するディフューザ通路を構成することから、入口通路からのオイルの運動エネルギを圧力エネルギに円滑に変換することができるので、渦や剥離に起因する圧力損失を低減できて、オイルジェットからの低い噴射速度および少ない噴射流量のオイルで、ピストンの所要の冷却性を得ることができる。【０００８】
本発明の請求の範囲第３項記載の発明は、請求の範囲第２項記載のピストン冷却装置において、前記導入通路（６１，６２；１６１，１６２；２６１，２６２）の通路中心線（Ｌｄ）上での最上流部（６１ａ，６２ａ）からの距離をＳ（ｍ）とし、前記通路中心線（Ｌｄ）に直交する平面上での通路面積をＡ（ｍ２）としたとき、次式
Ｒ＝ｄ（Ａ１／２）／ｄＳ
で定義される前記拡大率Ｒが０．０６≦Ｒ≦０．８であるものである。
これによれば、拡大率Ｒが０．０６≦Ｒ≦０．８の範囲の値に設定されることにより、導入通路において、拡大率が０．０６未満であるときの通路抵抗の増大に起因する冷却効果の低下、および拡大率が０．８を超えるときのオイルの流れの剥離によるプラグ流の乱れに起因する冷却効果の低下が抑制される。この結果、オイルジェットからのオイルの噴射流量を削減しながら、湾曲したディフューザ通路である導入通路を有する冷却通路を流れるオイルによるピストンの冷却効果を高めることができる。【０００９】
本発明の請求の範囲第４項記載の発明は、請求の範囲第１項から第３項のいずれか１項記載のピストン冷却装置において、前記導入通路（６１，６２；１６１，１６２）は、分岐部（６３）において周方向で互いに反対方向に向かって分岐する第１，第２分岐導入通路（６１，６２；１６１，１６２）から構成され、前記主通路（７１，７２）は、前記第１，第２分岐導入通路（６１，６２；１６１，１６２）にそれぞれ連なる第１，第２主通路（７１，７２）から構成され、前記分岐部（６３）は、上下方向で前記第１，前記第２主通路（７１，７２）の最下部（７１ｃ，７２ｃ）よりもピストン頂面（２１ａ）寄りに位置するものである。
これによれば、分岐部を形成する通路壁に衝突して反射したオイルが入口通路に向かって逆流することが抑制されるので、少ない噴射流量のオイルで、ピストンの所要の冷却性が得られる。【００１０】
本発明の請求の範囲第５項記載の発明は、請求の範囲第４項記載のピストン冷却装置において、前記分岐部（６３）は、前記入口通路（３０）の通路中心線（Ｌｉ）上に位置するものである。
これによれば、第１，第２分岐導入通路に流入するオイル量のバラツキを抑制できるので、ピストンの冷却を周方向で均等化できて、オイルジェットからの噴射流量の減少に寄与できる。【００１１】
本発明の請求の範囲第６項記載の発明は、請求の範囲第４項記載のピストン冷却装置において、前記第１，第２分岐導入通路（６１，６２；１６１，１６２）のそれぞれの最上流部（６１ａ，６２ａ）の通路断面と、前記入口通路（３０）の最下流部（３２）の通路断面とが、同一で、かつ同じ位置にあるものである。
これによれば、第１，第２分岐導入通路が周方向でオーバーラップするために、ピストンに形成される両分岐導入通路の形成領域を小さくすることができるので、オイルによるピストンの所要の冷却性を確保しながら、ピストンの剛性を高めることができる。【００１２】
本発明の請求の範囲第７項記載の発明は、請求の範囲第１項から第３項、第５項、第６項のいずれか１項記載のピストン冷却装置において、前記オイルジェット（９０）には、オイルポンプ（９６）から吐出されたオイルがオイル供給通路（９７）を経て導かれると共に前記噴射口（９４）を有するオイル通路（９３）が設けられ、前記オイル通路（９３）には、前記オイル供給通路（９７）からオリフィス（９２）により減圧されたオイルが導かれ、前記噴射口（９４）の開口面積は、前記オリフィス（９２）の絞り通路面積よりも大きいものである。
これによれば、オイルポンプから吐出されたオイルのオイル圧が、オリフィスで減圧された後、オイルジェットのオイル通路に導かれるので、噴射速度を小さくできるため、噴射口から噴射されたオイルの飛散・拡散を抑えることができて、効率よく冷却通路にオイルを供給することができ、しかもオイルポンプからのオイルをオイルジェットに導くオイル供給通路でのオイル圧を高く維持できるので、オイルポンプの小型化が可能になる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ピストンの往復運動を利用することにより、少なくとも内燃機関の最大出力運転時に、オイルジェットから噴射されてピストンに設けられた冷却通路に供給されたオイルによるピストンの冷却効率の向上が可能になり、少なくとも最大出力運転時を含む高速回転領域でのピストン冷却用のオイル量の削減が可能になる。
さらに、ピストンの冷却通路の形状を工夫することにより、オイルによるピストンの冷却効率の向上およびピストン冷却用オイル量の削減が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態を示し、本発明が適用されたピストン冷却装置を備える内燃機関において、ピストンの中心軸線を含む平面での要部断面図であり、概ね図２のＩ−Ｉ線断面図である。
【図２】図１のピストンの要部下面図である。
【図３】（ａ）は、図１のピストンの冷却通路を可視化した要部斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）において、図２のＩＩＩｂ矢視に相当する図である。
【図４】（ａ）は、図２のＩＶａ−ＩＶａ線での冷却通路の断面図であり、（ｂ）は、（ａ）において、図２のＩＶｂ−ＩＶｂ線での冷却通路の断面図である。
【図５】内燃機関の最大出力運転時における図１のピストンの頂面温度Ｔと冷却通路の導入通路の拡大率Ｒとの関係を示すグラフである。
【図６】本発明の第２実施形態を示し、図４（ａ）に対応する図である。
【図７】本発明の第３実施形態を示し、図４（ａ）に対応する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図１〜図７を参照して説明する。
図１〜図５は、本発明の第１実施形態を説明するための図である。
図１を参照すると、本発明が適用されたピストン冷却装置を備える内燃機関Ｅは、４ストローク内燃機関である。内燃機関Ｅは、内燃機関用ピストン２０が往復運動可能に嵌合するシリンダボア１ａが設けられたシリンダブロック１と、該シリンダブロック１の上端部に結合されるシリンダヘッド２と、シリンダブロック１の下端部にロアブロック（図示されず）を介して結合されるオイルパン（図示されず）とから構成される機関本体を備える。
【００１６】
シリンダブロック１においてシリンダボア１ａよりも下方の部分１ｂは、上部クランクケースとして、前記ロアブロックおよび前記オイルパンから構成される下部クランクケースと共にクランクケース３を構成する。そして、クランクケース３により形成されるクランク室４内には、ピストン２０にコンロッド５を介して連結されると共にクランクケース３に回転可能に支持されるクランク軸６が配置される。
【００１７】
なお、この明細書および請求の範囲において、上下方向は、ピストン２０の中心軸線Ｌｐに平行な方向であって、必ずしも鉛直方向である必要はないものとし、上方向は、上下方向で、ピストン２０においてピストン頂面２１ａが位置する方向であるとする。また、中心軸線Ｌｐに直交する方向および平面は、便宜上、それぞれ水平方向および水平面であるとする。さらに、周方向および径方向とは、中心軸線Ｌｐを中心としたときのものである。さらに、平面視とは、上下方向から見ることを意味する。
【００１８】
シリンダブロック１、ピストン２０およびシリンダヘッド２により、中心軸線Ｌｐに平行な方向（シリンダボア１ａの中心軸線であるシリンダ軸線に平行な方向でもある。）でのピストン２０とシリンダヘッド２との間に燃焼室１０が形成される。シリンダヘッド２には、燃焼室１０に開口する吸気ポート１１および排気ポート１２と、吸気ポート１１および排気ポート１２をそれぞれ開閉する吸気弁１３および排気弁１４とが設けられる。
【００１９】
そして、吸気装置（図示されず）により導かれた吸入空気は、ピストン２０が下降する吸気行程において、開弁した吸気弁１３を経て吸気ポート１１から燃焼室１０に吸入され、燃料と混合して混合気となった状態で、ピストン２０が上昇する圧縮行程において圧縮される。前記混合気は圧縮行程の終期に点火されて燃焼し、ピストン２０が下降する膨張行程において燃焼ガスの圧力により駆動されて往復運動するピストン２０がクランク軸６を回転駆動する。燃焼ガスは、排気ガスとして、ピストン２０が上昇する排気行程において、開弁した排気弁１４を経て燃焼室１０から排気ポート１２および該排気ポート１２に接続される排気装置（図示されず）を経て内燃機関Ｅの外部に排出される。
【００２０】
ここで、吸気行程および膨張行程は、それぞれピストン２０の下降行程であり、圧縮行程および排気行程は、それぞれピストン２０の上昇行程である。また、吸入空気に供給される前記燃料は、燃焼室１０において、または吸気ポート１１を含む吸気通路において、燃料噴射弁（図示されず）から噴射される。
また、図１には、上死点位置のピストン２０が実線で示され、下死点位置のピストン２０が二点鎖線で示されている。
【００２１】
図１，図２を参照すると、金属製のピストン２０は、燃焼室１０内の燃焼ガスの圧力を受けるピストン頂面２１ａを有する円柱状のピストンヘッド２１と、ピストンヘッド２１から上下方向に沿って下方に延びる１対のピストンスカート２２と、コンロッド５の小端部５ａが回動可能に連結されるピストンピン２５を支持する１対の第１，第２ピンボス２３，２４とを有する。
ピストン頂面２１ａには凹部２１ｂが設けられる。ピストンヘッド２１の外周面には第１〜第３ピストンリング２６ａ，２６ｂ，２６ｃがそれぞれ装着されるリング溝が設けられる。各ピンボス２３，２４には、ピストンピン２５が圧入される挿入孔２３ａ，２４ａ（図３参照）が設けられる。
【００２２】
図１〜図４を参照すると、ピストン２０のピストンヘッド２１内には、周方向に延びている環状の周方向通路５０と、周方向通路５０にそれぞれ連通すると共に上下方向に沿って直線状に延びている入口通路３０および出口通路４０とを有する冷却通路Ｃが設けられる。
入口通路３０の入口３１および出口通路４０の出口４１は、第１，第２ピンボス２３，２４にそれぞれ周方向で隣接する位置で、ピストン２０の下面および内周面から構成されるピストン裏面２７のうちで、下面において下方に向かって開口する。
入口通路３０の通路中心線Ｌｉおよび出口通路４０の通路中心線Ｌｏは、中心軸線Ｌｐに対してほぼ点対称の位置にある。
なお、「ほぼ」との表現は、「ほぼ」との修飾語がない場合を含むと共に、「ほぼ」との修飾語がない場合とは厳密には一致しないものの、「ほぼ」との修飾語がない場合と比べて作用効果に関して有意の差異がない範囲を意味する。
【００２３】
円環状の周方向通路５０は、入口通路３０および出口通路４０との間で周方向に延びている半円環状の第１，第２周方向通路５１，５２から構成される。各周方向通路５１，５２は、最上流部６１ａ，６２ａで入口通路３０の最下流部３２に連なる導入通路６１，６２と、最下流部８１ｂ，８２ｂで出口通路４０の最上流部４２に連なる導出通路８１，８２と、最上流部７１ａ，７２ａで導入通路６１，６２の最下流部６１ｂ，６２ｂに連なると共に最下流部７１ｂ，７２ｂで導出通路８１，８２の最上流部８１ａ，８２ａに連なる主通路７１，７２とを有する。各主通路７１，７２は、その全体で水平面と交わる位置にある。
ここで、上流および下流とは、冷却通路Ｃでの冷却液としての冷却用オイルの流れに関するもので、冷却通路Ｃにおいて、入口３１が最上流であり、出口４１が最下流である。
【００２４】
第１，第２周方向通路５１，５２、したがって第１，第２導入通路６１，６２同士、第１，第２主通路７１，７２同士および第１，第２導出通路８１，８２同士は、中心軸線Ｌｐを含む平面の１つを対称面として、ほぼ面対称に配置される。そして、入口通路３０、出口通路４０および第１，第２周方向通路５１，５２のそれぞれの全体は、平面視で、中心軸線Ｌｐを中心とする円環状の円環帯の範囲内に位置する。該円環帯の径方向幅は、各導入通路６１，６２、各主通路７１，７２および導出通路８１，８２のうちの径方向幅の最大幅に等しい。
【００２５】
図３，図４を参照すると、通路中心線Ｌｄを有する第１，第２導入通路６１，６２は、入口通路３０の最下流部３２から上方（または、下流）に向かって延びていて、最下流部３２よりも上方に位置する分岐部６３から周方向で互いに遠ざかるように反対方向に湾曲する湾曲通路である。分岐部６３は、冷却通路Ｃの通路壁２８において下方へ突出する突出部からなる分岐壁２８ｄにより形成される。
また、通路中心線Ｌｅを有する第１，第２導出通路８１，８２は、主通路７１，７２の最下流部７１ｂ，７２ｂから下方（または、下流）に向かうにつれて、周方向で最下流部７１ｂ，７２ｂから近づくように互いに反対方向に湾曲する湾曲通路である。
第１，第２周方向通路５１，５２のそれぞれの第１，第２主通路７１，７２は、その全体において水平面にほぼ平行に位置する。主通路７１，７２は、全体でほぼ均一の通路面積を有し、主通路７１，７２でのオイルの流速はほぼ一定に維持される。
【００２６】
第１，第２導入通路６１，６２は、それぞれ、分岐部６３により分岐する第１，第２分岐導入通路を構成する。分岐部６３は、入口通路３０の通路中心線Ｌｉ上に位置する。
そして、第１，第２導入通路６１，６２は、それぞれの最上流部６１ａ，６２ａの通路断面と、入口通路３０の最下流部３２の通路断面とが、同一で、かつ同じ位置にあり、最下流部３２および最上流部６１ａ，６２ａにおいて、通路中心線Ｌｉと通路中心線Ｌｄとが一致する。このため、導入通路６１，６２は、入口通路３０の真上においてオーバーラップした形状の通路になっている。なお、図４（ａ）には、導入通路６１，６２のそれぞれの仮想延長通路が二点鎖線で示されている。
【００２７】
第１，第２導入通路６１，６２は、分岐部６３において周方向で互いに反対方向に向かって分岐し、第１，第２主通路７１，７２は、導入通路６１，６２にそれぞれ連なり、分岐部６３は、上下方向で主通路７１，７２の最下部７１ｃ，７２ｃよりもピストン頂面２１ａ（図１参照）寄りに位置することにより、分岐部６３を形成する分岐壁２８ｄに衝突して反射したオイルが入口通路３０に向かって逆流することが抑制されるので、少ない噴射流量のオイルで、ピストン２０の所要の冷却性が得られる。
【００２８】
各導入通路６１，６２の通路面積において、最上流部６１ａ，６２ａの最上流通路面積は、最下流部６１ｂ，６２ｂの最下流通路面積よりも小さく、各導入通路６１，６２の通路面積は、導入通路６１，６２の全体で上流から下流に向かって連続的に増加、この実施形態では、後記するほぼ一定の拡大率Ｒで増加している。このため、導入通路６１，６２は通路面積がオイルの流れ方向に沿って漸増するディフューザ通路である。
【００２９】
そして、導入通路６１，６２の通路中心線Ｌｄ上での最上流部６１ａ，６２ａから下流に向かっての距離Ｓ（メートル）の微小変化に対する、通路中心線Ｌｄに直交する平面上での導入通路６１，６２の通路面積Ａ（平方メートル）の１／２乗の微小変化を、次式で定義される拡大率Ｒであるとする。
Ｒ＝ｄ（Ａ１／２）／ｄＳ
この拡大率Ｒは、最上流部６１ａ，６２ａから下流に向かうときの導入通路６１，６２の広がり度合い（または、導入通路６１，６２の通路面積Ａの増加度合い）を表す値である。
【００３０】
拡大率Ｒが０であるときは、導入通路６１，６２の通路面積Ａが距離Ｓに対して変化することなく一定値を保つことを意味するので、導入通路６１，６２がディフューザ通路であるためには、拡大率Ｒが０よりも大きい必要がある。
一方、拡大率Ｒが、導入通路６１，６２において通路壁２８から流れが剥離するほどの大きさになると、その剥離位置から下流の導入通路６１，６２および主通路７１，７２内でオイルの流れの乱れが大きくなって、第１，第２周方向通路５１，５２での後記プラグ流の維持が困難になり、該プラグ流による冷却効果が低下する。
【００３１】
導出通路８１，８２の通路面積は、導出通路８１，８２の全体で上流から下流に向かってほぼ一定であり、しかも導入通路６１，６２の最上流部６１ａ，６２ａでの通路面積よりも大きい。
また、導出通路８１，８２は、それぞれ、冷却通路Ｃの通路壁２８において下方へ突出する突出部からなる分岐壁２８ｅにより形成される分岐部８３により分岐する第１，第２分岐導出通路を構成する。そして、分岐部８３（または分岐壁２８ｅ）は、最上流部４２上にほぼ位置し、また出口通路４０の通路中心線Ｌｏ上にほぼ位置する。このため、最下流部８１ｂ，８２ｂでのオイルの流れは、上下方向にほぼ平行で、下方に向かう。
【００３２】
そして、導出通路８１，８２の通路面積が導入通路６１，６２の通路面積よりも大きいので、導出通路８１，８２での通路抵抗が小さくなること、および、導出通路８１，８２が滑らかに連続する湾曲通路であると共に最下流部８１ｂ，８２ｂが下方に向いているので、第１，第２主通路７１，７２から導出通路８１，８２に流入するオイルが分岐壁２８ｅにより周方向で衝突が抑制された状態で下方に向かって偏向されることから、冷却通路Ｃの出口４１からのオイルの排出が円滑に行われる。
【００３３】
図１，図２を参照すると、シリンダブロック１において、入口通路３０の入口３１よりも下方の部位には、シリンダブロック１内で上下方向に平行に往復運動するピストン２０に対して下方に配置されて入口通路３０の入口３１に向けて冷却用オイルを噴射する冷却液噴射部材としてのオイルジェット９０が設けられる。
【００３４】
オイルジェット９０から噴射されて入口通路３０から流入したオイルは、周方向通路５１，５２を流通して出口通路４０から流出する間にピストン２０を冷却する。それゆえ、冷却通路Ｃが設けられたピストン２０およびオイルジェット９０は、内燃機関Ｅに備えられてピストン２０を冷却するためのピストン冷却装置を構成する。
【００３５】
オイルジェット９０は、本体９１と、取付部９１ａに設けられた減圧部材としてオリフィス９２とを備える。本体９１は、シリンダブロック１に取り付けられて固定される取付部９１ａと、噴射口９４が設けられた噴射部としての噴射管９１ｂと、オイルジェット９０をシリンダブロック１に位置決めする柱状の位置決め部９１ｃとを有する。
【００３６】
本体９１には、オイル供給源としてのオイルポンプ９６から供給されたオイルがシリンダブロック１に設けられたオイル供給通路としてのメインギャラリ９７と該メインギャラリ９７に連通するオイル導入通路９７とを経て導かれる噴射用オイル通路９３が設けられる。オイル通路９３は、噴射管９１ｂに設けられてクランク室４に開口する噴射口９４を有する。噴射口９４は中心軸線Ｌｐにほぼ平行に入口３１を指向し、入口３１を含めて入口通路３０の全体は、平面視で噴射口９４の全体と重なる位置にある。
オイルポンプ９６は、前記クランク軸６の動力により駆動される容積型の回転ポンプであり、機関回転速度の増加に比例して供給オイル流量が増加する。
【００３７】
メインギャラリ９７とオイル通路９３との間に配置されるオリフィス９２は、メインギャラリ９７のオイルのオイル圧を減圧する。したがって、オイル通路９３には、オリフィス９２により減圧されたオイルが導かれる。別の例として、オリフィス９２は、メインギャラリ９７とオイルジェット９０とを連通させてメインギャラリ９７のオイルをオイルジェット９０に導くオイル導入通路９７に設けられてもよい。
【００３８】
噴射口９４の開口面積は、オリフィス９２の絞り通路面積よりも大きい。噴射口９４の開口面積を大きくすることにより、オイルの円錐形状の噴射流の径を大きくできるので、分岐による分配のバラツキを低減できる。また、オリフィス９２の絞り通路面積が噴射口９４の開口面積よりも小さいことにより、メインギャラリ９７でのオイル圧の低下が抑制され、噴射速度も小さくすることができて、噴射流量を低減できる。
【００３９】
オイルジェット９０は、内燃機関Ｅの運転時、冷却通路Ｃにおいて、オイルとクランク室４内の気体である空気との気液２相プラグ流（または、スラグ流）が、少なくとも最大出力運転時において形成されるように、吸入行程および膨張行程でのピストン２０の下降行程および圧縮行程および排気行程での上昇行程の各行程において、各行程の全範囲に渡って連続してオイルを入口３１に向けて噴射する。
オイルの噴射速度（以下、単に「噴射速度」という。）は、オイル通路９３のオイル圧に依存し、オイル通路９３のオイル圧はオイルポンプ９６の回転速度、すなわち機関回転速度に依存し、該機関回転速度の増加に比例して増加する。ここで、噴射速度は、噴射口９４での噴射速度である。
【００４０】
そして、噴射速度は、最大出力運転時のピストン２０の最高速度（以下、「ピストン最高速度」という。）以下に設定され、好ましくは、ピストン最高速度の３０％以上で９０％以下の範囲に設定される。
噴射速度が、ピストン最高速度の３０％未満であるとき、またはピストン最高速度の９０％を超えるときは、最大出力運転時に冷却通路Ｃでプラグ流が形成される確実性が低下し、冷却通路Ｃのオイルによる最大出力運転時でのピストン２０の冷却効果が低下する。
【００４１】
以下、このプラグ流について詳述する。
一般に、気体と液体とが流れる通路において、気体が通路断面全体に渡る大きな気泡（以下、「気体プラグ」という。）と、該気体プラグに分断されると共に通路断面全体に亘る液体部分（以下、「液体プラグ」という。）とが交互に流れる気液２相プラグ流は、液体の流量に対して気体の流量が所定流量範囲にある場合に形成される一方、該所定流量範囲外では、プラグ流以外の気液２相流が形成されることが知られている。例えば、前記所定流量範囲よりも気体の流量が少ないときには、通路断面全体に亘る液体中に小さな気泡が分散した気泡流となり、前記所定流量範囲よりも気体の流量が多いときには、液体が通路壁を膜状になって流れ、気体が通路の中心部を流れる環状流となる。
そして、プラグ流においては、液体プラグの内部で発生する液体の循環流により、通路壁と液体との間での熱伝達が促進されて、オイルによる冷却効果が向上する。
【００４２】
そこで、内燃機関Ｅの運転領域において、ピストン２０の温度が最も高くなるのは最大出力運転時であることから、少なくとも最大出力運転時に、冷却通路Ｃを流れるオイルによるピストン２０の冷却効果を高めるために、周方向通路５１，５２にプラグ流が形成されるように、オイルジェット９０から噴射されるオイルの噴射速度および噴射流量（以下、単に「噴射流量」という。）が設定される。
【００４３】
噴射速度および噴射流量は、噴射速度が、最大出力運転時のピストン最高速度以下であること、好ましくはピストン最高速度の３０％以上で９０％以下の範囲に設定されることを条件として、ピストン２０の下降行程および上昇行程で構成される１往復行程中に、オイルジェット９０から噴射されたオイルが入口３１に達するまでに空気抵抗により減速するために、最大出力運転時において噴射速度がピストン最高速度に等しい場合にもオイルが供給されない時期が確保されること、および、オイルジェット９０から噴射されたオイルがクランク室４内の空気を随伴して、該随伴空気と共に入口通路３０に流入することなどが考慮されて、実験やシミュレーション等に基づいて決められる。そして、噴射流量については、上限値が存在するものの、該上限値に達するまでは噴射流量が多いほど冷却効果が向上する。
【００４４】
図４（ａ）を参照すると、第１，第２導入通路６１，６２とプラグ流との関係では、入口通路３０で形成された後記プラグ流は、分岐壁２８ｄにより周方向に二分割されて、導入通路６１，６２でのプラグ流が形成される。
そして、導入通路６１，６２は、その通路面積が連続的に増加するディフューザ通路である（すなわち、拡大率ＲがＲ＞０である）ことにより、ディフューザ通路になっていない導入通路に比べて導入通路６１，６２の最上流部６１ａ，６２ａに連なる入口通路３０の通路面積を小さくできるので、入口通路３０でのプラグ流の形成を容易化できる。しかも、導入通路６１，６２が段差なく連続的に、したがって滑らかに湾曲している湾曲通路であることにより、上下方向に延びている入口通路３０から水平方向に延びている主通路７１，７２に、入口通路３０で形成されたプラグ流が分岐壁２８ｄにより分割されて円滑に導かれる。
【００４５】
また、図５を参照すると、導入通路６１，６２の拡大率Ｒに応じてプラグ流によるピストン２０の冷却効果が変わることが分かる。なお、内燃機関Ｅの最大出力運転時における拡大率Ｒと冷却効果との関係については、冷却通路Ｃにプラグ流を形成することが可能な噴射速度および噴射流量の範囲で、噴射速度および噴射流量に殆ど依存することなく、図５に示される相関関係とほぼ同様の相関関係を有する。
【００４６】
このように拡大率Ｒに応じてプラグ流による冷却効果が変わる原因は、冷却効果が最大となる最適拡大率Ｒｏに対して拡大率Ｒが小さくなるほど、導入通路６１，６２での通路抵抗が増大して、冷却効果が低下し、最適拡大率Ｒｏに対して拡大率Ｒが大きくなるほど、導入通路６１，６２でのオイルの流れが通路壁から剥離し易くなるために、プラグ流の液体プラグと通路壁との接触が不安定化して、冷却効果が低下するためと考えられる。
そこで、内燃機関Ｅ（図１参照）の最大出力運転時にオイルジェット９０から噴射されるオイルの噴射速度および噴射流量が同一である条件下での比較対象ピストンに比べて、ピストン２０の高い冷却効果が得られる、換言すれば、図５において、ピストン２０の頂面温度Ｔが比較対象ピストンの頂面温度Ｔａよりも低くなる拡大率Ｒとして、拡大率Ｒは０．０６≦Ｒ≦０．８の範囲の値に設定される。
ここで、比較対象ピストンとは、ピストンに設けられた冷却通路が、導入通路６１，６２（図３，図４参照）に相当する通路部分を有しておらず、入口通路３０に主通路７１，７２（図３，図４参照）が直接連なる形状（図３（ｂ）に相当する図での冷却通路の形状がＴ字状）の通路であるピストンである。
そして、拡大率Ｒは、より好ましくは、前記比較対象ピストンに比べて一層高い冷却効果が得られるように、最適拡大率Ｒｏを含む０．５Ｒｏ≦Ｒ≦２Ｒｏの範囲の値に設定される。
【００４７】
なお、オイル通路９３のオイル圧は、メインギャラリ９７のオイル圧が機関回転速度に応じて変化すること、および最大出力運転時の機関回転速度よりも低い機関回転速度の運転時にはピストン２０の温度が最大出力運転時の温度よりも低くなることから、前記低い機関回転速度での内燃機関Ｅの運転時には、冷却通路Ｃにおいて、プラグ流が形成されることなく、気泡流が形成される噴射速度または噴射流量であってもよい。
【００４８】
次に、前述のように構成された実施形態の作用および効果について説明する。
ピストン冷却装置は、冷却通路Ｃが設けられたピストン２０と、ピストン２０が上下方向に往復運動するとき下方に向かって開口する入口通路３０に対して下方に配置された噴射口９４からオイルを噴射するオイルジェット９０とを備え、冷却通路Ｃに気体とオイルとの気液２相プラグ流が、少なくとも内燃機関Ｅの最大出力運転時に形成されるように、オイルジェット９０はピストン２０の各行程においてオイルを噴射し、かつ噴射口９４でのオイルの噴射速度は最大出力運転時のピストン２０の最高速度以下とされる。
この構造により、ピストン２０の往復運動を利用することにより、冷却通路Ｃには、少なくとも最大出力運転時に、往復運動するピストン２０の各行程において最大出力運転時のピストン２０の最高速度以下の噴射速度でオイルジェット９０から噴射されて供給されたオイルにより、気体とオイルとの気液２相プラグ流が形成されるので、このプラグ流によりピストン２０から冷却通路Ｃ内のオイルへの熱伝達が促進されて、オイルによるピストン２０の冷却効率を向上できる。そして、冷却効率の向上により、ピストン２０の所要の冷却性を得ながら、オイルジェット９０からのオイルの噴射流量を削減でき、ピストン冷却用のオイル量の削減ができる。また、前記気液２相プラグ流は、ピストン２０の上下運動によって生じる加速度のため周方向通路５０の壁面を上下に移動するために、冷却効率の一層の向上がなされる。さらにはオイルジェット９０にオイルを供給するオイルポンプ９６の小型化ができ、オイルポンプ９６を駆動するための動力損失が減少して、燃費性能が向上する。
【００４９】
周方向通路５１，５２は、最上流部６１ａ，６２ａで入口通路３０に連なる導入通路６１，６２と、最上流部７１ａ，７２ａで導入通路６１，６２に連なる主通路７１，７２とを有し、導入通路６１，６２は、上方に向かうにつれて周方向に湾曲して主通路７１，７２に連なると共に、通路面積が下流に向かって連続的に、かつほぼ一定の拡大率Ｒで増加するディフューザ通路である。
この構造により、オイルジェット９０から噴射されて入口通路３０から流入したオイルを主通路７１，７２に導く導入通路６１，６２が上方に向かうにつれて周方向に湾曲して主通路７１，７２に連なる湾曲通路であることで、入口通路３０を経たオイルが導入通路６１，６２の通路壁２８に衝突した際に生じる逆流や澱みの発生が抑制され、導入通路６１，６２でのオイルのエネルギを維持しながら該オイルを主通路７１，７２に案内することができる。
また、各導入通路６１，６２は拡大率Ｒで連続的に拡大するディフューザ通路を構成することから、入口通路３０からのオイルの運動エネルギを圧力エネルギに円滑に変換することができるので、渦や剥離に起因する圧力損失を低減できて、オイルジェット９０からの低い噴射速度および少ない噴射流量のオイルで、ピストン２０の所要の冷却性を得ることができる。
【００５０】
さらに、導入通路６１，６２は、拡大率ＲがＲ＞０である、すなわちその通路面積が連続的に増加するディフューザ通路であることにより、ディフューザ通路になっていない導入通路に比べて導入通路６１，６２の最上流部６１ａ，６２ａに連なる入口通路３０の通路面積を小さくできるので、入口通路３０でのプラグ流の形成を容易化できる。
そして、拡大率Ｒが０．０６≦Ｒ≦０．８の範囲の値に設定されることにより、導入通路６１，６２において、拡大率が０．０６未満であるときの通路抵抗の増大に起因する冷却効果の低下、および拡大率が０．８を超えるときのオイルの流れの剥離によるプラグ流の乱れに起因する冷却効果の低下が抑制される。この結果、オイルジェット９０からのオイルの噴射流量を削減しながら、湾曲したディフューザ通路である導入通路６１，６２を有する冷却通路Ｃを流れるオイルによるピストン２０の冷却効果を高めることができる。さらに、拡大率Ｒが、最適拡大率Ｒｏを含む０．５Ｒｏ≦Ｒ≦２Ｒｏの範囲の値に設定されることで、一層高い冷却効果を得ることができる。
【００５１】
分岐部６３は、入口通路３０の通路中心線Ｌｉ上に位置することにより、第１，第２分岐導入通路６１，６２に流入するオイル量のバラツキを抑制できるので、ピストン２０の冷却を周方向で均等化できて、オイルジェット９０からの噴射流量の減少に寄与できる。
【００５２】
第１，第２分岐導入通路であると共にいずれもディフューザ通路を構成する第１，第２導入通路６１，６２のそれぞれの最上流部６１ａ，６２ａの通路断面と、入口通路３０の最下流部３２の通路断面とが、同一で、かつ同じ位置にあり、最下流部３２および最上流部６１ａ，６２ａにおいて、通路中心線Ｌｉと通路中心線Ｌｄとが一致する。
この構造により、導入通路６１，６２が周方向でオーバーラップするために、ピストン２０に形成される両導入通路６１，６２の形成領域を小さくすることができるので、オイルによるピストン２０の所要の冷却性を確保しながら、ピストン２０の剛性を高めることができる。
【００５３】
オイルジェット９０には、オイルポンプ９６から吐出されたオイルがメインギャラリ９７を経て導かれると共に噴射口９４を有するオイル通路９３が設けられ、オイル通路９３には、メインギャラリ９７からオリフィス９２により減圧されたオイルが導かれ、噴射口９４の開口面積は、オリフィス９２の絞り通路面積よりも大きい。
この構造により、オイルポンプ９６から吐出されたオイルのオイル圧が、オリフィス９２で減圧された後、オイルジェット９０のオイル通路９３に導かれるので、噴射速度を小さくできるため、噴射口９４から噴射されたオイルの飛散・拡散を抑えることができて、効率よく冷却通路Ｃにオイルを供給することができ、しかもオイルポンプ９６からのオイルをオイルジェット９０に導くオイル供給通路でのオイル圧を高く維持できるので、オイルポンプ９６の小型化が可能になる。
このように、ピストン２０の冷却通路Ｃの形状を工夫することにより、オイルによるピストンＰの冷却効率の向上およびピストン冷却用オイル量の削減が可能になる。
【００５４】
次に、図６を参照して本発明の第２実施形態を、図７を参照して本発明の第３実施形態を説明する。第１実施形態とは、導入通路６１，６２のみが相違し、その他は基本的に同一の構成を有するものである。そのため、同一の部分についての説明は省略または簡略にし、異なる点を中心に説明する。なお、実施形態の部材と同一の部材または対応する部材については、必要に応じて同一の符号が使用されている。
【００５５】
第２実施形態での第１，第２導入通路１６１，１６２は、その拡大率Ｒが第１実施形態の導入通路６１，６２よりも小さい点を除いて、該導入通路６１，６２と同じである。
第３実施形態での導入通路２６１，２６２の拡大率Ｒは、第２実施形態と同じである
【００５６】
図７において、第１，第２導入通路２６１，２６２は入口通路３０の最下流部３２から上方（または、下流）に向かうにつれて、周方向で最下流部３２から遠ざかるように互いに反対方向に湾曲する湾曲通路である。そして、分岐部６３（または分岐壁２８ｄ）は、最下流部３２上にほぼ位置し、入口通路３０の通路中心線Ｌｉ上にほぼ位置する。したがって、導入通路２６１，２６２は、入口通路３０から互いにほぼ独立して主通路７１，７２にそれぞれ連なる１対の独立した形状の通路になっている。
【００５７】
以下、前述した実施形態の一部の構成を変更した実施形態について、変更した構成に関して説明する。
ピストン冷却装置は、オイルジェット９０のオイル通路９３に空気を混入するための空気供給装置（例えば、空気噴射弁や加圧空気が供給されるベンチュリ）を備えていてもよく、その場合には、冷却通路Ｃにプラグ流を形成可能な噴射速度の範囲または噴射流量の範囲を拡大できる。
周方向通路は、入口通路および出口通路に対して分岐しない１つの通路であってもよい。
拡大率は、前記実施形態では導入通路全体において一定であったが、導入通路の最上流部から最下流部に向かって連続的に増加してもよい。
内燃機関が備えられる対象は、車両以外の装置、例えば、船外機等の船舶推進装置、または発電装置であってもよい。
【符号の説明】
【００５８】
２０        ピストン
３０        入口通路、
４０        出口通路
５１，５２  周方向通路、
６１，６２  導入通路
７１，７２  主通路、
８１，８２  導出通路、
９０        オイルジェット
９２        オリフィス
９３        オイル通路
９４        噴射口、
９６        オイルポンプ
９７        メインギャラリ
Ｅ          内燃機関
Ｃ          冷却通路
【図１】
2011105374.tif 000003
【図２】
2011105374.tif 000004
【図３】
2011105374.tif 000005
【図４】
2011105374.tif 000006
【図５】
2011105374.tif 000007
【図６】
2011105374.tif 000008
【図７】
2011105374.tif 000009
【国際調査報告】
2011105374.tif 000010
2011105374.tif 000011
2011105374.tif 000012
2011105374.tif 000013